一起因敷設(shè)方式造成的電纜發(fā)熱故障分析

摘要：電力電纜在工程建設(shè)和改造中大量使用，是供配電系統(tǒng)的重要組成部分。能否提高電力電纜設(shè)計(jì)施工質(zhì)量，電纜的檢修、新設(shè)、更換尤為重要。合理選擇及設(shè)計(jì)電纜敷設(shè)方式是保障整個(gè)供電系統(tǒng)安全、可靠運(yùn)行的重要因素之一。現(xiàn)針對(duì)某廠低壓動(dòng)力電纜經(jīng)地下電纜排管敷設(shè)，在一段時(shí)間的高負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)下，該部分動(dòng)力電纜發(fā)熱受損的案例，分析了電纜受損原因，提出了解決方案。

關(guān)鍵詞：電力電纜;地下排管;發(fā)熱受損

0 ? ?引言

地下電纜排管敷設(shè)方式，大多情況下應(yīng)用在需要承重較大的生產(chǎn)區(qū)域或城市功能區(qū)。該廠在某生產(chǎn)區(qū)域選擇地下電纜排管敷設(shè)方式，也是考慮到遠(yuǎn)期檢修作業(yè)時(shí)可能會(huì)經(jīng)過重型吊車。排管設(shè)計(jì)平面圖如圖1所示。設(shè)計(jì)人員在論證當(dāng)中的確滿足了生產(chǎn)功能需要，卻在滿足電纜散熱性要求方面未考慮詳盡，最終導(dǎo)致部分動(dòng)力電纜發(fā)熱受損事故發(fā)生。

現(xiàn)場(chǎng)單側(cè)設(shè)計(jì)實(shí)況如圖2所示。

該管溝共分布120根排管，有少量預(yù)留管，其中動(dòng)力電纜（3×185 mm2以上）有84根，是主要熱源;同時(shí)，在裝置區(qū)一側(cè)的排管伸出端電纜溝內(nèi)充滿沙土。

排管口充沙情況如圖3所示，這滿足了《電力工程電纜設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50217—2007）[1]5.2.5第4條“有防爆防火要求的電纜溝，應(yīng)采用埋沙敷設(shè)”的規(guī)定，但卻因?yàn)槌渖常o地下排管的自然對(duì)流散熱造成了更大阻礙，而該次事故的爆發(fā)點(diǎn)正是埋沙點(diǎn)。本文分析了發(fā)熱原因，并根據(jù)相關(guān)分析及計(jì)算結(jié)果提出設(shè)計(jì)變更方案，最后進(jìn)行了設(shè)計(jì)拓展分析。

1 ? ?原因分析

1.1 ? ?埋沙影響

在電纜因自身載流量發(fā)熱及散熱過程中，排管內(nèi)空氣應(yīng)自然流通，但是設(shè)計(jì)因考慮防爆要求，將裝置區(qū)側(cè)的排管出口全部用沙土封蓋，導(dǎo)致空氣不能自然流通，熱量全部集聚在地下排管當(dāng)中。電纜埋沙后，電纜載流量受到沙土熱阻系數(shù)的影響，而且熱阻值隨著沙中水分的遷移逐漸增大，所以，管口埋沙處電纜發(fā)熱受損最為嚴(yán)重。在開挖沙土檢查時(shí)發(fā)現(xiàn)，管口電纜處沙土存在水分遷移現(xiàn)象，其他區(qū)域的沙土中含水量相對(duì)較多，沙土中水分的遷移以故障點(diǎn)區(qū)域最為嚴(yán)重，即位于電纜敷設(shè)較密集部位及管口處，在電纜敷設(shè)最密集部位，越靠近故障側(cè)水分遷移越厲害。因此，水分遷移更應(yīng)該是結(jié)果，而不是電纜絕緣過熱的主要原因。

1.2 ? ?電纜自身發(fā)熱量

通過公式Q=ρ·I·I/A計(jì)算單根電纜發(fā)熱量（W/m）。其中，ρ指銅的電導(dǎo)率，取0.02 Ω/mm2;I指電纜長(zhǎng)期運(yùn)行通過的最大電流，根據(jù)電纜發(fā)現(xiàn)故障時(shí)的電纜運(yùn)行電流I約為200 A;A為電纜線徑，該計(jì)算式中取排管當(dāng)中截面最大的電纜，為3×300 mm2。根據(jù)計(jì)算取電纜每米發(fā)熱量約30 W，該段排管單根電纜長(zhǎng)度為65 m，即相當(dāng)于一臺(tái)約2 kW設(shè)備工作于地下管溝當(dāng)中。同時(shí)120根排管集中布置，排管之間上下左右分布距離僅為5 cm，不同規(guī)格的電纜發(fā)熱量交叉輻射，且頂管距離地表距離為0.8 m，不利于散熱。通過熱成像儀監(jiān)測(cè)，排管中心溫度最高，符合電纜溫度場(chǎng)分布，即越靠近中心處電纜溫度越高，邊界溫度較低。溫度場(chǎng)分布如圖4所示。

1.3 ? ?受渦流影響

設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)電纜排管基礎(chǔ)時(shí)，排管四周表面配?12@200 mm×200 mm鋼筋網(wǎng)片。鋼筋網(wǎng)片分布如圖5所示。

該鋼筋網(wǎng)片屬于導(dǎo)電材料，通常情況下鋼筋混凝土排管中由于電纜三相電流對(duì)稱，總和為零，故在鋼筋結(jié)構(gòu)上產(chǎn)生的磁場(chǎng)疊加后相互抵消，相對(duì)值較小。但實(shí)際運(yùn)行工況并非如此，該區(qū)域地下排管當(dāng)中有80根規(guī)格為3×300 mm2及3×240 mm2的電纜，其電流控制方式為可控硅兩相調(diào)功。回路控制方式如圖6所示。

采用該類過零觸發(fā)晶閘管導(dǎo)通角的控制方式，在DCS輸入較小調(diào)功信號(hào)的狀態(tài)下，三相不平衡尤為嚴(yán)重。捕捉到某一時(shí)刻不平衡電流如表1所示，電流受導(dǎo)通角影響存在動(dòng)態(tài)變化的過程。

越趨近于滿負(fù)荷狀態(tài)，三相電流不平衡度越小，即相當(dāng)于導(dǎo)通角全開狀態(tài)。根據(jù)該公司生產(chǎn)負(fù)荷需求，可控硅始終處于不完全導(dǎo)通狀態(tài)，所以三相電流不平衡，就會(huì)在鋼筋網(wǎng)片當(dāng)中產(chǎn)生環(huán)流，造成電纜發(fā)熱。該排管中同時(shí)存在大量三相電流平衡運(yùn)行電纜，但考慮到電纜滴水效應(yīng)，其長(zhǎng)期效應(yīng)也不可忽略。

總結(jié)以上三點(diǎn)原因，80根可控硅控制下的動(dòng)力電纜受鋼筋網(wǎng)片環(huán)流影響，是電纜排管內(nèi)主要發(fā)熱源;再加上其他電纜正常運(yùn)行溫度的滴水效應(yīng)、交叉輻射，造成了熱量集聚;而裝置區(qū)側(cè)管溝內(nèi)充沙，造成內(nèi)部空氣不能流通，給電纜運(yùn)行環(huán)境造成了更嚴(yán)重的影響，最終導(dǎo)致電纜長(zhǎng)期工作于最大允許運(yùn)行溫度，造成內(nèi)絕緣損壞，外絕緣碳化破損。

2 ? ?解決方案

故障發(fā)生前期，該廠運(yùn)行人員采用氮?dú)獯祾呓禍兀孪茸龊么胧┍苊獍l(fā)生氮?dú)庵舷⑹鹿省５娎|排管分布密集，管距較長(zhǎng)，通風(fēng)散熱設(shè)施效果不佳，僅能作為臨時(shí)輔助措施。若采用電纜溝敷設(shè)方式，則受制于周圍運(yùn)營(yíng)環(huán)境及成本。所以，最終決定變更敷設(shè)方式，采用管廊橋架。

3 ? ?設(shè)計(jì)拓展分析

（1）依據(jù)國(guó)標(biāo)《建筑電氣工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范》（GB 50303—2015）[2]15.1.1規(guī)定，為防止產(chǎn)生渦流效應(yīng)，“三相或單相的交流單芯電纜，不得單獨(dú)穿于管內(nèi)”。而可控硅控制方式下運(yùn)行的電纜，存在三相電流不平衡，類似于單芯電纜穿管運(yùn)行。

（2）電纜排管敷設(shè)方式對(duì)散熱要求較高，而防爆區(qū)域采用充沙的方式將管口封死，二者相互矛盾。

（3）采用GFRP筋代替鋼筋，該類材料具有非磁性特點(diǎn)，且滿足并優(yōu)于鋼筋的物化特性。

（4）地下電纜排管敷設(shè)方式要充分考慮管內(nèi)穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)分布，不能僅簡(jiǎn)單滿足電纜的排布要求，否則會(huì)給電纜運(yùn)行環(huán)境埋下隱患。

4 ? ?結(jié)語

目前電纜敷設(shè)方式的選擇可以根據(jù)環(huán)境條件多樣化，但在滿足相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)要求的前提下，還要考慮電纜溫度場(chǎng)分布、排水、防爆防火及成本等因素，方可給電纜及各類生產(chǎn)單元提供可靠的運(yùn)行環(huán)境，從而保障生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)的正常進(jìn)行。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 電力工程電纜設(shè)計(jì)規(guī)范：GB 50217—2007[S].

[2] 建筑電氣工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范：GB 50303—2015[S].

收稿日期：2020-08-03

作者簡(jiǎn)介：李海鵬（1989—），男，陜西榆林人，工程師，從事工廠供配電運(yùn)維工作。